王立武 房冠輝 李健 戈嗣誠 張興宇

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 中國航天科技集團(tuán)有限公司航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

火星是地球的近鄰行星，在太陽系內(nèi)其自然環(huán)境與地球最為接近，每26個(gè)月左右便具有一次探測窗口，因此火星一直是人類深空探測的熱點(diǎn)?；鹦谴髿獬煞忠訡O2為主，體積占比為95%，其表面大氣密度約為地球的1%（0.01kg/m3），表面大氣壓力約為地球的0.6%（600Pa），重力加速度約為地球的3/8（3.7m/s2）[1]。

從20 世紀(jì)60年代開始，圍繞火星是否存在生命的探測目標(biāo)，人類開展了多次火星探測。根據(jù)形式的不同，火星探測可分為飛越、環(huán)繞及著陸探測，其中著陸探測是考察火星生命跡象最直接、最有效的方式：一方面由于火星具有大氣環(huán)境，在著陸火星表面過程中采用降落傘減速是一種高效可行的技術(shù)途徑；另一方面，火星的大氣又十分稀薄，留給降落傘的減速高程十分有限，因此降落傘必須盡早在超聲速、低動(dòng)壓條件下展開工作，以確保著陸環(huán)節(jié)的安全可靠[2]。美國、前蘇聯(lián)、歐空局均開展了多次火星著陸探測[3-8]，其中美國在火星著陸探測上比較成功，已圓滿成功完成8 次火星著陸探測。

火星進(jìn)入、減速和著陸（Entry，Descent and Landing，EDL）過程十分復(fù)雜，需要面對多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)[9-10]，而降落傘減速是火星EDL 過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作性能直接影響探測器著陸過程的成敗。超聲速降落傘仿真技術(shù)難度較大[11-12]，需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐才能獲得準(zhǔn)確仿真結(jié)果，因此為了保證火星著陸探測的高可靠實(shí)施，在飛行任務(wù)前必須要對降落傘的工作性能進(jìn)行全面驗(yàn)證。美國在“海盜號”火星探測器飛行任務(wù)前，開展了10 余次的降落傘高空開傘試驗(yàn)[13-21]，模擬火星開傘條件，對降落傘進(jìn)行了充分驗(yàn)證，積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支撐美國后續(xù)各項(xiàng)火星著陸探測任務(wù)的成功實(shí)施。

我國將于近期實(shí)施首次火星探測任務(wù)，開展火星全球性、綜合性的環(huán)繞探測和區(qū)域性的著陸及巡視探測。探測任務(wù)將一次實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”的工程目標(biāo)，同時(shí)開展科學(xué)探測工作。2020年火星探測任務(wù)將是我國首次在地外天體應(yīng)用降落傘減速技術(shù)，面臨超聲速、低動(dòng)壓等苛刻的開傘條件，降落傘減速系統(tǒng)需要使用多項(xiàng)新技術(shù)，在地球環(huán)境下的高空開傘試驗(yàn)可以接近火星真實(shí)開傘剖面，對降落傘開傘及工作性能進(jìn)行充分驗(yàn)證。

本文對我國首次火星探測降落傘減速系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)提出了高空開傘試驗(yàn)需求，基于試驗(yàn)需求論證分析了兩種高空開傘試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了探空火箭的高空開傘試驗(yàn)技術(shù)途徑，對探空火箭試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析說明，最后對試驗(yàn)結(jié)果及取得的成果進(jìn)行了介紹。

1 降落傘減速系統(tǒng)簡介

我國首次火星探測任務(wù)降落傘減速系統(tǒng)主要有兩個(gè)功能，一是減速，將探測器在預(yù)定高度由超聲速減至亞聲速；二是穩(wěn)定探測器姿態(tài)。

降落傘可選的減速方案包括一級減速及兩級減速。兩級減速方案的優(yōu)勢是通過多級減速降低開傘載荷，但在質(zhì)量方面沒有優(yōu)勢，需要增加主傘開傘控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)更加復(fù)雜，為后續(xù)工作程序提供的留空時(shí)間較少。一級減速方案的優(yōu)勢是系統(tǒng)簡單，工作環(huán)節(jié)少，為后續(xù)工作程序提供的留空時(shí)間相對較長，開傘載荷可接受，因此降落傘減速方案確定為一級減速，系統(tǒng)主要產(chǎn)品包括降落傘及彈傘筒（見圖1）。降落傘傘型為超聲速、低動(dòng)壓條件下開傘及穩(wěn)定性能較好的盤縫帶傘[22]。

進(jìn)入火星過程中，降落傘減速系統(tǒng)的工作過程如圖2 所示，探測器首先通過氣動(dòng)外形減速，到達(dá)預(yù)定開傘區(qū)域，降落傘將會(huì)彈出，在超聲速、低動(dòng)壓條件下展開充氣，對探測器進(jìn)一步減速，為著陸創(chuàng)造有利條件。

圖1 降落傘及彈傘筒產(chǎn)品裝配狀態(tài)Fig.1 The relative products of parachute system

圖2 降落傘減速工作流程Fig.2 The flow chart of parachute deceleration process

在超聲速飛行過程中，降落傘會(huì)出現(xiàn)“呼吸”和高頻顫振現(xiàn)象，易引起縫合部的剝離及傘衣的損傷；在低動(dòng)壓條件下，傘衣內(nèi)外壓差建立困難，開傘變得更加困難[23]。針對這些難點(diǎn)必須要?jiǎng)?chuàng)造真實(shí)條件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。對于神舟飛船、返回式衛(wèi)星等地球返回任務(wù)，降落傘為亞聲速開傘，在飛行任務(wù)前通過運(yùn)輸機(jī)空投即可模擬降落傘的真實(shí)工作剖面環(huán)境，對降落傘開傘過程及工作性能進(jìn)行充分驗(yàn)證。然而地球大氣與火星大氣存在較大差異，在地球條件下較難模擬火星降落傘工作剖面環(huán)境，需要在地球30km 以上空域才能模擬火星降落傘的超聲速、低動(dòng)壓開傘條件，試驗(yàn)系統(tǒng)十分復(fù)雜、技術(shù)難度巨大。

2 試驗(yàn)環(huán)境模擬分析

大氣物理參數(shù)中大氣密度以及大氣溫度對降落傘工作有相關(guān)性影響，兩個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到降落傘減速系統(tǒng)工作時(shí)的飛行速度、飛行馬赫數(shù)、飛行動(dòng)壓等參數(shù)?；鹦谴髿饷芏冗h(yuǎn)低于地球大氣密度，在地球35km區(qū)域大氣密度與火星大氣密度量級相當(dāng)（見圖3）?；鹦谴髿鉁囟却蠓陀诘厍虼髿鉁囟龋ㄒ妶D4），導(dǎo)致火星大氣聲速與地球大氣聲速有較大區(qū)別（見圖5），在地球35km 區(qū)域的大氣聲速為310m/s，而火星表面大氣聲速僅為223m/s。

圖3 火星大氣密度與地球大氣密度Fig.3 The atmospheric density of Mars and Earth

圖4 火星大氣溫度與地球大氣溫度Fig.4 The atmospheric temperature of Mars and Earth

圖5 火星大氣聲速與地球大氣聲速Fig.5 The atmospheric sonic speed of Mars and that of Earth

對于降落傘減速系統(tǒng)，飛行馬赫數(shù)及飛行動(dòng)壓會(huì)影響降落傘超聲速、低動(dòng)壓開傘性能以及超聲速、低動(dòng)壓的減速工作特性，是降落傘減速系統(tǒng)的首要模擬條件。在準(zhǔn)確模擬飛行馬赫數(shù)后，由于大氣聲速的不同地球高空開傘試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘w行速度約為火星探測器飛行速度的1.4 倍，較高的飛行速度對降落傘拉直過程是加嚴(yán)考核狀態(tài)，大氣密度及大氣溫度的影響已耦合在飛行馬赫數(shù)和飛行動(dòng)壓中。

綜上分析，在地球環(huán)境下需要保證模擬飛行馬赫數(shù)和飛行動(dòng)壓兩個(gè)參數(shù)。

3 試驗(yàn)技術(shù)途徑選擇分析

由于地球環(huán)境與火星環(huán)境的巨大差異，在地球條件下較難模擬火星超聲速、低動(dòng)壓的開傘條件，進(jìn)行性能驗(yàn)證。通過分析論證，在地球35~50km 左右高空可以模擬火星的開傘條件，但試驗(yàn)實(shí)施的難度大，可供選擇的試驗(yàn)技術(shù)途徑包括探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)及氣球平臺高空開傘試驗(yàn)。

探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)方案是將降落傘安裝到火箭箭頭位置，由探空火箭將降落傘送至高空，到達(dá)一定的高度后，箭頭與探空火箭分離，自主慣性飛行，打開降落傘開傘通道，箭頭速度及高度滿足試驗(yàn)條件時(shí)，彈出降落傘進(jìn)行超聲速、低動(dòng)壓條件下的性能驗(yàn)證，圖6 為探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)過程示意。

圖6 探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)過程示意Fig.6 The sketch map of the parachute deployment experiments of sounding rocket

氣球平臺高空開傘試驗(yàn)方案是通過氦氣球?qū)⒃囼?yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)至離地球表面35~50km 高空，試驗(yàn)?zāi)Ｐ歪尫抛杂上侣湟欢ò踩嚯x后，加速發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行短時(shí)加速，而后試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻T性飛行，當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ退俣燃案叨葷M足試驗(yàn)條件時(shí)，彈出降落傘進(jìn)行超聲速、低密度、低動(dòng)壓條件下的性能驗(yàn)證。圖7 為高空氣球平臺高空開傘試驗(yàn)過程示意。

圖7 高空氣球平臺高空開傘試驗(yàn)過程示意Fig.7 The sketch map of the parachute deployment experiments of high-attitude balloon

經(jīng)過試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及國內(nèi)相關(guān)技術(shù)調(diào)研研究，國內(nèi)探空火箭技術(shù)比較成熟，探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)方案可以利用成熟的探空火箭技術(shù)，技術(shù)成熟度高，試驗(yàn)成本相對較低。氣球平臺高空開傘試驗(yàn)方案試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢阅M探測器的氣動(dòng)外形，但是該方案系統(tǒng)復(fù)雜，氦氣球及試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)均需要新研制，國內(nèi)未開展過類似試驗(yàn)項(xiàng)目，涉及多項(xiàng)新技術(shù)，試驗(yàn)成本高。

根據(jù)綜合比較結(jié)果，火星探測項(xiàng)目降落傘性能試驗(yàn)驗(yàn)證最終采用探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)方案。

4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)系統(tǒng)由探空火箭、箭上測量設(shè)備、發(fā)射裝置、測發(fā)控設(shè)備、地面遙測與外測設(shè)備組成。探空火箭采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、遙測設(shè)備等組成。火箭總長10m，直徑750mm，起飛質(zhì)量5t。箭上測量設(shè)備由2個(gè)加速度傳感器、4個(gè)拉力傳感器、2 套高清攝像機(jī)和2 套圖像記錄器組成，用于測量降落傘工作的力學(xué)環(huán)境，獲取降落傘彈傘及開傘過程圖像。發(fā)射裝置是探空火箭發(fā)射時(shí)的支撐與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，用于探空火箭的起豎、回轉(zhuǎn)及定位定向。地面遙測與外測設(shè)備由遙測地面接收站、光電經(jīng)緯儀、雷達(dá)等組成，遙測地面接收站用于完成探空火箭飛行過程中箭上遙測信號的接收、存儲(chǔ)和處理，光電經(jīng)緯儀及雷達(dá)用于探空火箭飛行過程外彈道測量。探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8 所示。

圖8 探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.8 The system composition of the parachute deployment of sounding rocket

試驗(yàn)系統(tǒng)工作過程如圖9 所示，每次試驗(yàn)前將降落傘開傘馬赫數(shù)、動(dòng)壓等信息裝定至探空火箭控制系統(tǒng)，探空火箭點(diǎn)火后按照設(shè)計(jì)彈道飛行，65s 左右達(dá)到頭體分離條件，箭頭與箭體分離，裝有降落傘減速系統(tǒng)的箭頭繼續(xù)向上飛行，并實(shí)時(shí)判斷飛行馬赫數(shù)與動(dòng)壓，當(dāng)滿足開傘條件時(shí)（80s 左右），彈出降落傘，對超聲速、低動(dòng)壓條件下對降落傘減速系統(tǒng)工作性能進(jìn)行驗(yàn)證，最終降落傘攜帶箭頭著陸。在此過程中通過圖像測量設(shè)備、拉力傳感器等對降落傘開傘過程、開傘載荷等關(guān)鍵信息進(jìn)行記錄。

圖9 探空火箭平臺高空開傘試驗(yàn)過程示意Fig.9 The sketch map of the parachute deployment experiments process of sounding rocket

為充分驗(yàn)證降落傘減速系統(tǒng)性能，高空開傘試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)工況，見表1，分別對標(biāo)稱及高馬赫數(shù)工況進(jìn)行驗(yàn)證，其中工況1 和工況2 為重復(fù)性試驗(yàn)。探空火箭飛行過程中可以直接測量高度和速度信息，為便于開傘控制準(zhǔn)確實(shí)施，將馬赫數(shù)和動(dòng)壓范圍轉(zhuǎn)化為高度和速度區(qū)間，見圖10。在飛行過程中，開傘控制策略將會(huì)保證開傘條件落入指定目標(biāo)區(qū)間范圍內(nèi)，從而保證達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

表1 四次試驗(yàn)開傘目標(biāo)區(qū)域Tab.1 The parachute deployment objects of the four experiments

圖10 四次試驗(yàn)開傘高度及速度區(qū)域Fig.10 The parachute deployment attitude and velocity region for the four experiments

5 試驗(yàn)結(jié)果

2018年4 月降落傘減速系統(tǒng)成功進(jìn)行了4 次高空開傘試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)按照預(yù)定設(shè)計(jì)程序?qū)嵤德鋫銣p速系統(tǒng)工作正常，最大開傘馬赫數(shù)達(dá)到2.5，實(shí)現(xiàn)了充分驗(yàn)證目標(biāo)。同時(shí)降落傘開傘工作高度提升至54.3km（見圖11），降落傘開傘速度達(dá)到809m/s（見圖12），與以往10km 以內(nèi)對流層使用空域相比，將降落傘使用空間擴(kuò)展至地球臨近空間，提升了降落傘減速系統(tǒng)應(yīng)用范圍，為地球臨近空間留空任務(wù)提供了新的解決方案。

圖11 四次試驗(yàn)高度時(shí)間曲線（工況1 與工況2 曲線重合）Fig.11 The attitude-time curve of the four experiment（condition 1 and condition 2 are overlapped）

圖12 四次試驗(yàn)速度時(shí)間曲線（工況1 與工況2 曲線重合）Fig.12 The velocity-time curve of the four experiment（condition 1 and condition 2 are overlapped）

6 結(jié)束語

降落傘減速系統(tǒng)是火星著陸探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要通過高空開傘試驗(yàn)對降落傘減速系統(tǒng)進(jìn)行全面驗(yàn)證。本文首先對火星探測降落傘減速系統(tǒng)的難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對高空開傘試驗(yàn)驗(yàn)證的必要性進(jìn)行了分析；其次對降落傘減速系統(tǒng)高空開傘試驗(yàn)的技術(shù)途徑進(jìn)行了分析比較，確定了探空火箭平臺的成熟技術(shù)方案；最后對試驗(yàn)方案進(jìn)行了說明，對試驗(yàn)實(shí)施結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

高空開傘試驗(yàn)的成功實(shí)施對降落傘減速系統(tǒng)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，獲取了豐富的數(shù)據(jù)，支撐了火星著陸探測任務(wù)，并對其它任務(wù)降落傘的超聲速低動(dòng)壓試驗(yàn)可以提供有益參考；同時(shí)將降落傘技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展地球臨近空間，可以為臨近空間任務(wù)提供基于降落傘技術(shù)的解決方案。